Inżynieria Chemiczna i Biomolekularna

Paul Kenis Research

Systemy Mikrochemiczne: Mikroreaktory, komórki Mikrofuel i narzędzia mikroprzepływowe

Kenis Research Group

w grupie badawczej Kenis wykorzystujemy zdolność doskonałej kontroli nad zjawiskami transportu w mikroskopie, aby badać podstawowe zjawiska (w tym chemię białek, biologię komórek) i opracowywać nowe technologie dla szeregu zastosowań, w tym konwersji energii, syntezy chemicznej i podstawowych badań biologicznych. Aby prowadzić badania w tych interdyscyplinarnych obszarach, rozwinęliśmy podstawową wiedzę w zakresie charakteryzacji systemów elektrochemicznych, mikrofabrykacji, technologii mikroprzepływowych, a także analitycznego i obliczeniowego modelowania zjawisk transportu oraz technik analitycznych i charakteryzacji materiałów, takich jak różne rodzaje spektroskopii i mikroskopii.

obecnie Grupa realizuje projekty badawcze w następujących obszarach:

1. Systemy elektrochemiczne do konwersji dwutlenku węgla i ogniw paliwowych
2. Mikroprzepływowe platformy do krystalizacji białek i farmaceutyków
3. Platformy mikroprzepływowe do badania procesów międzykomórkowych i wewnątrzkomórkowych
4. Mikroreaktory do syntezy chemicznej
5. Technologie wytwarzania mikrofluidyki
6. Powstające mikroprzepływowe projekty ” bio ”

1. Systemy elektrochemiczne do konwersji dwutlenku węgla i ogniw paliwowych

1a. elektrochemiczna redukcja CO2:

poziom CO2 w atmosferze stale rośnie, co doprowadziło do negatywnego wpływu na globalny klimat. Aby powstrzymać ten wzrost, należy stosować jednocześnie różne strategie, takie jak wychwytywanie i sekwestracja dwutlenku węgla, przejście na czystsze paliwa, zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii i zwiększenie efektywności energetycznej budynków. Elektrochemiczna redukcja CO2 do substancji chemicznych o wartości dodanej lub ich półproduktów jest kolejnym podejściem służącym rozwiązaniu tego wyzwania. Proces ten może być napędzany przez nadmiar energii z przerywanych źródeł odnawialnych, zapewniając w ten sposób sposób magazynowanie nadmiaru przerywanej energii odnawialnej, a jednocześnie recykling CO2 jako nośnika energii. Ponadto dzięki wykorzystaniu CO2 jako materiału wyjściowego do produkcji chemicznej zmniejsza się zależność społeczeństwa od paliw kopalnych.

w przypadku elektrochemicznej redukcji CO2 nasza grupa ma na celu poprawę selektywności produktu, wydajności energetycznej i współczynnika konwersji poprzez opracowanie nowych katalizatorów, zastosowanie odpowiednich elektrolitów i optymalizację struktury elektrod i konstrukcji reaktora. Na przykład, zmniejszyliśmy nadpotencjalną komórkę do mniej niż 0.2 V przy użyciu wodnego roztworu zawierającego tetrafluoroboran 1-etylo-3-metyloimidazoliowy (EMIM BF4), który prawdopodobnie stabilizuje związek pośredni reakcji (Rosen i wsp. Science, 2011). Opracowaliśmy również katalizatory metaloorganiczne na bazie srebra, które wykazują wysoką aktywność katalityczną przy niskim obciążeniu Ag (Thorson et al., J. Am. Chem. Soc., 2012). Jako materiał nośny, TiO2 jest stosowany w celu zminimalizowania rozmiaru cząstek Ag i zwiększenia aktywności katalizatora, co skutkuje drastycznie niższym obciążeniem Ag bez poświęcania wydajności na rzecz redukcji CO2 do CO (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Ponadto Inżynieria struktury warstwy katalizatora zapewnia podejście do maksymalizacji wykorzystania katalizatora i ogólnej wydajności. Zautomatyzowana metoda osadzania katalizatora metodą airbrushed doprowadziła do wysokiej wydajności redukcji CO2 przy zmniejszonym obciążeniu katalizatorem, podczas gdy niepożądana ewolucja H2 została stłumiona (Jhong et al., ADV. Energy Mater., 2013).

obecnie kontynuujemy badania nad lepszymi katalizatorami, elektrodami i warunkami pracy dla elektrochemicznej konwersji CO2 w interesujące nas chemikalia. Niektóre z tych prac są we współpracy z innymi: Nakashima, Lyth w Kyushu w Japonii; i bogaty Masel w materiały Dwutlenkowe.

1B. ogniwa paliwowe:

(2) mikroprzepływowe platformy do krystalizacji białek lub farmaceutyków

krystalizacja białek i farmaceutyków może szybko stać się bardzo kosztowna ze względu na duże ilości materiału potrzebnego do przesiewania w celu uzyskania optymalnych warunków krystalizacji. Pomimo dostępności zautomatyzowanych, zrobotyzowanych urządzeń do przesiewania krystalizacji, które mogą wykorzystywać krople wielkości nanoliterów, duże inwestycje w wymagany kapitał sprawiają, że takie instrumenty są praktyczne tylko w kilku dobrze finansowanych laboratoriach lub centrach krystalizacji. Nasze mikroprzepływowe platformy do krystalizacji białek i farmaceutyków (i) umożliwiają wysokowydajne przesiewanie i optymalizację warunków krystalizacji przy użyciu kilku nanolitrów na próbę; (ii) są prostą w użyciu, opłacalną alternatywą dla robotów krystalizacyjnych dla przeciętnego laboratorium; oraz (iii) są kompatybilne z technikami analitycznymi poprzez odpowiedni dobór materiałów (np. wysoka transmisja promieniowania rentgenowskiego, UV i IR). Dzięki przezroczystości rentgenowskiej nasze chipy mogą być montowane bezpośrednio w wiązce rentgenowskiej w celu zbierania danych omijając etap ręcznego zbierania kryształów. Nasze platformy mikroprzepływowe umożliwiają badania fundamentalnej nauki krystalizacji (zasiewanie kryształów, zarodkowanie i tempo wzrostu), jak również nauki stosowanej (analiza strukturalna, przesiewanie postaci stałej) zarówno dla krystalizacji białek, jak i farmaceutycznej.

2A. krystalizacja białek błonowych:

białka błonowe (MPs) znajdują się w błonie komórkowej i działają jako mediatory dla sygnału, energii i transdukcji materiału do i z komórki. Nic dziwnego, że wadliwe działanie białek błonowych jest związane z licznymi chorobami (Quick and Javitch, PNAS, 2007). MPs są więc powszechnymi celami narkotykowymi. Różne analizy wykazały, że MPs stanowią prawie 30% białek kodowanych w genomach Escherichia coli, Saccharomyces cerevisae i Homo sapiens (Seddon et al., BBA-Biomembranes, 2004). pomimo ich przeważającej przewagi w komórce, MPs stanowią mniej niż 1% struktur białkowych zdeponowanych w białkowej bazie danych. Określenie struktury białek błonowych zostało utrudnione przez trudności w uzyskaniu wystarczających ilości białek ze względu na małą obfitość i ich wrodzoną amfifilność, a następnie trudności w krystalizacji. W naszej grupie opracowaliśmy rentgenowskie transparentne platformy mikroprzepływowe do krystalizacji w surfo i mezo MP. Ponadto nasze badania obejmują przezroczyste Platformy rentgenowskie, które umożliwiają badanie lipidowych sześciennych diagramów fazowych i mikroseed matrix screening, dwie potężne, ale zazwyczaj niedostępne techniki krystalizacji dla białek błonowych. Ogólnym celem naszych badań jest krystalizacja dużych, dobrze uporządkowanych („dyfrakcyjnych jakości”) kryształów do analizy rentgenowskiej i wyjaśnienia struktury. Skrystalizowaliśmy kilka celów i rozwiązaliśmy ich struktury za pomocą danych zebranych wyłącznie na temat prądu chip wysiłki koncentrują się na krystalizacji białek błony oddechowej we współpracy z Prof. Robert Gennis, Wydział Biochemii.

2B. badanie przesiewowe kandydatów na leki w postaci stałej:

we wczesnych stadiach odkrywania leków farmaceutycznych naukowcy szukają stałych form aktywnych składników farmaceutycznych (API), które mają odpowiednie właściwości fizyczne i chemiczne (tj. rozpuszczalność, biodostępność, stabilność), które mogą później przejść przez rurociąg opracowywania leków. Niestety, sukces w znalezieniu krystalicznej postaci stałej API o zoptymalizowanych właściwościach przy użyciu konwencjonalnych procedur przesiewowych (płytki studni) jest ograniczony przez niewielką ilość API dostępnego we wczesnych stadiach odkrywania leku. Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy platformy mikroprzepływowe do przesiewania farmaceutycznej postaci stałej w celu (i) zmniejszenia ilości aktywnych składników farmaceutycznych (API) potrzebnych do przesiewania postaci stałej, (ii) zwiększenia kompatybilności między platformą przesiewania postaci stałej a instrumentami analitycznymi oraz (iii) określenia, czy podejście mikroprzepływowe do przesiewania postaci stałej pozwala na wyjaśnienie nowych form stałych. Mamy zatwierdzone platformy mikroprzepływowe oparte na swobodnej dyfuzji interfejsu (Thorson et al., LOC, 2011)i kontrolowane parowanie (Goyal et al., LOC, 2013), które zmniejszają ilość API potrzebnego na warunki przesiewowe w postaci stałej o rząd wielkości (z 5 mg do 5 µg dla każdego warunku), z porównywalnymi wynikami do tradycyjnych eksperymentów przesiewowych w postaci stałej opartych na odparowaniu. Zmniejszenie ilości próbki pozwala naukowcom na wykonywanie ekranów w postaci stałej wcześniej w procesie odkrywania leku, gdy dostępne są minimalne ilości API, i pozwala na bardziej rozbudowany ekran umożliwiający odkrycie nowych form stałych. Zaprojektowaliśmy platformy mikroprzepływowe tak, aby były optycznie przezroczyste, pozwalając na łatwą identyfikację krystalicznych ciał stałych oraz aby pokazywały minimalny sygnał w spektroskopii Ramana i dyfrakcji rentgenowskiej, umożliwiając identyfikację postaci stałych na chipie (Goyal et al., Crys. Wzrost & Des., 2012). Obecnie prowadzimy badania w kierunku rozwiązywania struktur krystalicznych nieznanych kokryształów, wykorzystując naszą platformę mikroprzepływową do hodowli kryształów o jakości dyfrakcyjnej. Ta praca jest we współpracy z AbbVie.

(3) Platformy mikroprzepływowe do badań komórkowych

platformy mikroprzepływowe zapewniają kilka cech, które lepiej ułatwiają badanie procesów komórkowych i międzykomórkowych w porównaniu z tradycyjnymi technikami opartymi na płytce Petriego lub płytce studni. Przykłady obejmują zdolność do badania pojedynczych komórek w wysoce kontrolowanych środowiskach, doskonałą kontrolę nad mikrośrodowiskiem komórkowym w przestrzeni i czasie oraz wygodną integrację z różnymi typami mikroskopii. W naszej grupie rozwijamy platformy mikroprzepływowe do następujących zastosowań:

3a. Badanie wrażliwości na antybiotyki:

skuteczne leczenie zakażeń klinicznych jest krytycznie zależne od zdolności do szybkiego przesiewania próbek pacjentów w celu identyfikacji wrażliwości patogenów zakażających na antybiotyki. Istniejące metody badania podatności na antybiotyki (AST) cierpią z powodu kilku problemów, w tym długich czasów realizacji (dni), nadmiaru próbki i zużycia odczynnika, słabej czułości wykrywania i ograniczonych zdolności kombinatorycznych. Czynniki te uniemożliwiają terminowe podawanie odpowiednich antybiotyków, co komplikuje zarządzanie infekcjami i zaostrza rozwój oporności na antybiotyki.

aby rozwiązać te problemy, opracowujemy platformy mikroprzepływowe dla AST, które zapewniają kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami, w tym wyższą czułość wykrywania, szybkie wyniki (<6 godzin), mniejsze zużycie odczynników i więcej wyników ilościowych. Na przykład we współpracy z Prof. Schroeder wykorzystaliśmy nasze platformy mikroprzepływowe do badania podatności różnych patogennych bakterii, takich jak E. coli, P. aeruginosa i K. pneumoniae, na różne antybiotyki (Mohan et al. Biosens. & Bioelect., 2013). Wykorzystaliśmy również platformę do badania interakcji między różnymi gatunkami bakterii (kulturami mikrobiologicznymi) i wpływu tych interakcji na podatność na antybiotyki. Obecnie stosujemy platformę mikroprzepływową w połączeniu z wykorzystaniem uzyskanych danych eksperymentalnych do modelowania farmakokinetyczno-farmakodynamicznego (PK/PD), aby zapewnić lepsze informacje w kierunku najlepszego sposobu leczenia danej infekcji.

3b. badanie komórek w Warunkach kontrolowanego tlenu:

ponieważ nowotwory rosną na zewnątrz z dala od lokalnej architektury naczyniowej tworzenie zmiennych regionów niedotlenienia (podfizjologiczne dotlenienia tkanek) występuje w całej masie stałej. Te regiony hipoksyczne były związane z opornością terapeutyczną, przeprogramowaniem metabolicznym i przejściem nabłonkowo-mezenchymalnym. Pozostaje wiele pytań dotyczących wpływu niedotlenienia na te wyniki, ale tylko kilka metod umożliwia zarówno precyzyjną kontrolę stężenia tlenu, jak i obrazowanie zachowania komórek w czasie rzeczywistym. Platformy mikroprzepływowe są szczególnie dobrze przystosowane do kontrolowania stężenia tlenu, umożliwiając jednocześnie obrazowanie w czasie rzeczywistym ze względu na ich kontrolę nad czasowymi i przestrzennymi warunkami chemicznymi. Oprócz kontroli nad lokalnym mikrośrodowiskiem, zmniejszona skala długości w platformach mikroprzepływowych w porównaniu z konwencjonalnymi metodami zapewnia krótsze czasy równowagi. Wykorzystując zalety platform mikroprzepływowych, opracowaliśmy urządzenie z matrycą zdolne do kontrolowania stężenia tlenu od 0,5% do 21%. We współpracy z profesorem Rexem Gaskins (Wydział Nauk o zwierzętach)wykorzystujemy te platformy do badania zmian potencjału redoks organellar w komórkach nowotworowych w okresie niedotlenienia.

(4) synteza chemiczna w mikroreaktorach

Mikroreaktory zapewniają kilka korzyści dla badania i rzeczywistego wykonania syntezy chemicznej w porównaniu z tradycyjnymi metodami „wet-lab”. Na przykład mniejsze, precyzyjnie zaprojektowane platformy zapewniają lepsze przenoszenie ciepła i masy, mniejsze zużycie odczynników i są bardziej podatne na automatyzację. W naszej grupie opracowujemy mikroreaktory do następujących zastosowań:

4a. synteza radiofarmaceutyków:

Radiofarmaceutyki są klasą leków stosowanych w diagnostyce i leczeniu kilku chorób i zaburzeń, w tym niektórych rodzajów raka i chorób serca. Ilości prekursorów do syntezy tych leków są zazwyczaj małe (kilka mikrolitrów) ze względu na ograniczoną dostępność, wysokie koszty i górne limity ilości radioaktywności, które mogą być bezpiecznie obsługiwane. Niezdolność konwencjonalnych metod „wet-lab” do skutecznego manipulowania niską objętością odczynników nie tylko prowadzi do syntezy leków niskiej jakości do zastosowań klinicznych, ale także utrudnia opracowywanie nowych leków. Staramy się rozwiązać te problemy, opracowując technologie mikroprzepływowe lub lepsze mikroreaktory do syntezy tych radiofarmaceutyków. Integrując różne moduły mikroprzepływowe, wyobrażamy sobie, że związki te można wytwarzać znacznie bardziej niezawodnie i z wyższą wydajnością.

wykazaliśmy, że technologie mikroprzepływowe zapewniają kilka zalet dla każdego etapu w porównaniu z konwencjonalnymi metodami, w tym lepszą wydajność reakcji, mniejsze zużycie odczynników i podatność na automatyzację (Goyal et al., Sens. & Akt. B, 2014; Hairong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Biokonj. Chem., 2014; Zeng et al., Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler et al., LOC, 2010). Obecnie prowadzimy dalszą optymalizację mikroreaktorów i opracowujemy zintegrowany system do zastosowań klinicznych i badawczych. Projekt jest realizowany we współpracy z Prof. Grupa badawcza Davida Reicherta na Wydziale Chemii radiologicznej Uniwersytetu Waszyngtońskiego w St. Louis.

4B. Mikroreaktory do syntezy kropek kwantowych:

fluorescencyjne nanocząstki półprzewodnikowe wykazują obietnicę w oświetleniu półprzewodnikowym i technologii wyświetlania Ze względu na znacznie wyższą fotoluminescencję i Lepsze zachowanie spektralne niż konwencjonalna technologia fosforowa. Te nanocząstki mają również potencjalne zastosowania w obrazowaniu medycznym i komputerach kwantowych. Wysokie koszty produkcji spowodowane częściowo brakiem niezawodnych metod produkcji wysokiej jakości, monodyspersyjne nanocząstki obecnie znacznie hamują ich powszechne stosowanie. Konwencjonalne metody syntezy wsadowej są szczególnie narażone na zmienność jakości nanomateriałów od wsadowej do wsadowej. Wsadowe syntezy, ze względu na powolny transfer ciepła i masy, nie mają możliwości precyzyjnej kontroli wielkości, morfologii i składu nanocząstek. Reaktory przepływowe zapewniają potencjalne rozwiązanie tych problemów. Wysiłki w grupie Kenis koncentrują się na rozwoju wysokowydajnych reaktorów ciągłych zapewniających szybkie czasy mieszania i ogrzewania w wysokich temperaturach w celu syntezy wysokiej jakości nanocząstek półprzewodnikowych o różnym składzie i morfologii. Na przykład, udało nam się zsyntetyzować nanorody za pomocą jednego z naszych reaktorów o ciągłym przepływie (patrz rysunek). Badamy zarówno systemy zawierające Cd, jak i bez Cd, osiągając wydajność kwantową aż 60%, co jest porównywalne z produktami komercyjnymi.

(5) technologie produkcyjne dla mikrofluidyki

w naszej grupie badawczej badamy różne technologie produkcyjne, aby przyspieszyć rozwój urządzeń mikroprzepływowych. Głównym celem w tym obszarze jest ułatwienie integracji mikrofluidyki z aplikacjami końcowymi. Obecnie prowadzimy badania w dwóch kierunkach:

5A. komponenty mikroprzepływowe zwiększające przenośność i skalowalność urządzeń:

pojawienie się mikrofluidyki VLSI (very large scale integration) umożliwiło wielostopniowe i wysokowydajne aplikacje z operacjami masowo równoległymi do wykonania na jednym chipie. Kluczem do tych postępów było opracowanie pneumatycznych mikrowawałów, które są wytwarzane technikami miękko-litograficznymi. Pomimo pomyślnej integracji takich mikrowalorów pneumatycznych w mikroprzepływowych układach scalonych do różnych zastosowań, mikrowalory te wymagają dużych urządzeń pomocniczych, które ograniczają skalowalność i przenośność tych mikroprzepływowych układów scalonych. Rozwiązujemy te problemy na dwa sposoby:

zastosowanie architektury zaworów normalnie zamkniętych (NC) Architektura zaworów: urządzenia wykorzystujące konwencjonalne Zawory normalnie otwarte (NO) mają ograniczoną przenośność w aplikacjach, które wymagają ciągłego stanu zamkniętego do pracy, ponieważ zawory te wymagają dużych urządzeń pomocniczych (pompy, butle z gazem azotowym, pneumatyczne urządzenia peryferyjne) do uruchamiania. Zawory NC nie tylko rozwiązują powyższe ograniczenie ograniczonej przenośności, ale także zachowują łatwość wytwarzania i integracji z urządzeniami mikroprzepływowymi. Aby umożliwić integrację zaworów NC, użyliśmy kombinacji modelowania analitycznego i obliczeniowego oraz systematycznych eksperymentów w celu sformułowania zasad projektowania dla opracowania optymalnych zaworów NC w celu zminimalizowania ciśnień uruchamiania i ułatwienia wytwarzania tych zaworów (Mohan et al., Sens. & Akt. B, 2011). Na rysunku przedstawiono ciśnienie aktywacji potrzebne jako funkcja szerokości kanału płynnego dla różnych kształtów mikrowątek (prostych, v-kształtnych i diagonalnych). Użyliśmy tych zaworów do różnych zastosowań, takich jak wykrywanie wirusów interakcji białko-przeciwciało, krystalizacja białek, przesiewanie postaci stałej i badanie innych zastosowań (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Akt. B, 2012; Mohan et al., Biosens. & Bioelect., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

zastosowanie elektrostatycznych mikrowawałów w celu zastąpienia lub uzupełnienia mikrowawałów pneumatycznych: Nasze mikrowalory oparte na uruchamianiu elektrostatycznym zachowują niewielki ślad ( 1), dla grubości membrany ™ 5 µm. Przestrzeń parametrów projektowych jest szacowana na obecność powietrza (ciemniejszego), oleju (wylęgającego się) lub wody (jaśniejszej) w kanale fluidalnym. Kolejną ciekawą aplikacją, którą badamy, jest zastosowanie elektrostatycznych mikrowalotów do sterowania mikrowalotami pneumatycznymi. Ta kombinacja pneumatycznych i elektrostatycznych mikrowaworów znacznie uprości wyposażenie pomocnicze i pomoże w realizacji celu „lab-in-a-chip”, a nie „chip-in-a-lab”.

5b. Nowe materiały i procesy produkcyjne:

Poli (dimetylosiloksan) lub PDMS był preferowanym materiałem do wytwarzania urządzeń mikroprzepływowych, głównie dlatego, że zastosowanie PDMS pozwala na proste, szybkie i niedrogie Wytwarzanie urządzeń o różnym stopniu złożoności. Jednak PDMS cierpi na kilka ograniczeń, kluczowym jest niezgodność z szeroką gamą rozpuszczalników organicznych i technik analitycznych. W naszej grupie badawczej badamy różne materiały polimerowe jako alternatywę dla PDMS do produkcji urządzeń mikroprzepływowych; niektóre z tych materiałów to tiolen, kopolimer cykliczno-olefinowy i teflon. Wykorzystaliśmy te materiały do opracowania urządzeń mikroprzepływowych, które są kompatybilne z wieloma rozpuszczalnikami organicznymi i technikami analitycznymi, takimi jak X-ray i Raman. Pokazujemy również, że urządzenia hybrydowe, które łączą zalety różnych materiałów, są lepszą alternatywą dla urządzeń zawierających jeden lub dwa materiały.

(6) powstające mikroprzepływowe projekty ” bio ”

6a. Platformy mikroprzepływowe do spektroskopii FTIR z rozdzielczością czasową:

naszym ogólnym celem jest opracowanie innowacyjnej technologii mikroprzepływowej do spektroskopii w podczerwieni z rozdzieloną czasowo transformacją Fouriera (FT-IR) reakcji biomolekularnych lub interakcji. Składanie białek, kataliza enzymów i interakcje białko-ligand mają kluczowe znaczenie dla utrzymania zdrowych komórek i tkanek. Korzeń wielu chorób przewlekłych lub genetycznych można prześledzić wstecz do nieprawidłowego działania takich reakcji w białkach-np. tworzenie płytki nazębnej przez nieprawidłowo złożony peptyd beta-amyloidowy w chorobie Alzheimera.

badania w celu ujawnienia mechanizmów reakcji na poziomie molekularnym i międzycząsteczkowym są niezbędne do opracowania nowych leków z racjonalnego projektowania leków, jak również do ich testowania – np. ścieżki fałdowania beta-amyloidu mogą ujawnić cele, na których kandydujące leki przeciwko tworzeniu płytki nazębnej mogą być testowane i optymalizowane. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) zapewnia kilka zalet w porównaniu z innymi technikami spektroskopii, w tym niewymaganie zewnętrznego etykietowania, proste przygotowanie próbki i łatwe pozyskiwanie szeregu informacji (szczegóły molekularne o wysokiej rozdzielczości do interakcji białko-białko o niskiej rozdzielczości).

jednak kilka ograniczeń związanych z obecnymi ogniwami przepływowymi FTIR, w tym niska rozdzielczość czasowa, koszty i wymóg dużych objętości próbek, uniemożliwiły szeroko rozpowszechnione stosowanie FTIR. Rozwiązujemy te problemy, opracowując mikroprzepływowe ogniwa przepływowe FITR z tanich, przezroczystych materiałów IR. Wstępne wyniki z ubikwityną potwierdziły nasze podejście i optymalizujemy komórkę przepływową do przeprowadzania eksperymentów z klinicznie istotnymi białkami. Ten projekt jest we współpracy z Prof. Rohit Bhargava w Zakładzie Bioinżynierii.

6b. technologie mikroprzepływowe usprawniające proces transplantacji wysepek:

cukrzyca jest niszczycielską chorobą, która dotyka 25,8 miliona Amerykanów (8% populacji). Przeszczep ludzkiej wysepki jest obiecującą terapią w cukrzycy typu I (TIDM). Procedura ta nie jest jednak zbyt powtarzalna i spójna. Aby poprawić wyniki przeszczepu wysepek, należy zająć się kilkoma zagadnieniami klinicznymi, biologicznymi i inżynieryjnymi. W naszej grupie badawczej opracowujemy technologie mikroprzepływowe w celu rozwiązania niektórych z tych problemów, w tym utrzymania optymalnych warunków podczas izolacji wysepek od trzustki dawcy, automatyzacji procesu izolacji i separacji wysepek oraz zachowania żywotności i funkcjonalności wysepek podczas procesu przeszczepu. Projekt ten jest realizowany we współpracy z grupą badawczą Prof. Jose Oberholzera w Oddziale Chirurgii Transplantacyjnej Uniwersytetu Illinois w Chicago.

6C. Mikroprzepływowa platforma do badań EPR metodą zamrażania:

większość interesujących zjawisk w wielu reakcjach biochemicznych zachodzi podczas pierwszych kilku milisekund reakcji, np. synteza ATP za pośrednictwem kompleksu cytochromu bc1. Badania strukturalne i funkcjonalne tych wczesnych produktów pośrednich nie tylko wyjaśnią mechanizm tych reakcji, ale także umożliwią racjonalne projektowanie leków w leczeniu chorób i zaburzeń związanych z nieprawidłowym działaniem tych reakcji. Freeze-quench electron paramagnetic resonance (EPR) jest potężną techniką do badania tych reakcji, gdzie produkty pośrednie tych reakcji są szybko zamrażane, aby zapobiec dalszym reakcjom, a później analizowane przy użyciu EPR. Jednak ograniczenia obecnego aparatu do zamrażania hartowania EPR, głównie powolne mieszanie odczynników, uniemożliwiły zastosowanie tej techniki do badania ultraszybkich reakcji biochemicznych. W naszej grupie badawczej opracowujemy mikroprzepływowe urządzenie do szybkiego mieszania odczynników (~20 µs) i późniejszego wyrzucania zmieszanych odczynników w postaci ultracienkiego strumienia na zamrożone miedziane koło. Potwierdziliśmy to podejście za pomocą modelowej reakcji biochemicznej i badamy zastosowanie klinicznie istotnych reakcji biochemicznych. Projekt ten jest we współpracy z Prof. Tony Crofts z Wydziału Biochemii.

6D. określanie interakcji farmaceutyczno-docelowych:

Cała Biologia, a przez to cała farmakologia, zależy od interakcji białek z innymi cząsteczkami. Elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) w połączeniu z etykietowaniem Spinowym (SLEPR) może być użyty do wykrywania takich interakcji w czasie rzeczywistym, in vitro lub in vivo oraz do śledzenia stosunku wiązania do niezwiązanych białek, przy minimalnych zaburzeniach biologii. To sprawia, że jest to idealne narzędzie do bezpośredniego badania wpływu środków farmaceutycznych na ich cele biologiczne i związane z nimi układy biochemiczne, poprawiając dokładność prognoz wczesnego etapu rozwoju skuteczności i toksyczności kandydatów na leki. Jednak obecne metody wet-lab do przygotowania małych próbek wymaganych przez spektrometry EPR wydają się być marnotrawne, nieprecyzyjne i powolne (biorąc 24 godziny lub więcej). W naszej grupie opracowujemy urządzenia do szybkiego i precyzyjnego znakowania białek, wykorzystując w pełni kombinatoryczną naturę mikroprzepływowych chipów do tworzenia serii próbek w wielu stężeniach lub z różnymi partnerami, a w razie potrzeby włączamy kulturę komórkową na chipie. Ten projekt jest we współpracy z New Liberty Proteomics.